CN114986548B - 一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口 - Google Patents

Abstract

一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，属于空间在轨建造机器人技术领域。大程度提升了空间机器人的环境适应能力、硬件容错能力、大范围精准移动能力、功能多样性。该接口，包括对接机构、锁紧机构及电气模块；所述对接机构为分体式对接结构，对接机构的两分体通过锁紧机构锁定为一体或者分离为两部分，电气模块安装在对接机构上。本发明具有体积小、质量轻、大容差、高连接精度、高连接强度的优点，并且结构简单、功能可靠，大程度提升了空间机器人的环境适应能力、硬件容错能力、大范围精准移动能力、功能多样性。

Description

一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口

技术领域

本发明属于空间在轨建造机器人技术领域，具体涉及一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口。

背景技术

随着空间科学技术的不断发展，空间站、太空发电站、在轨燃料补给站等大型空间设施建设需求日益迫切。在轨建造技术可突破运载工具的限制，使建造超大型空间设施成为可能，美国、欧洲、日本和加拿大等国均已开展了相关研究。同时，国际空间站建造和维修经验表明：空间机器人是航天器在轨服务的核心装备，可极大提升空间操控的安全性和经济性。但是，随着人类对空间利用与开发的不断深入，现有6-7自由度空间机器人系统不能满足未来在轨建造需求。国际空间站1998年建站，于2010年完成建造进入全面使用阶段，为适应逐渐庞大的空间站环境和复杂的任务，先后建设了空间机器人移动服务系统，包括SSRMS、MBS和SPDM，在轨建造空间机器人向多分支、超冗余、多功能方向发展。与国际空间站相比，未来在轨建造工作量更大、任务种类更多、作业环境更复杂，对在轨建造空间机器人的大范围移动作业能力、构型变化、功能多样性提出了新的挑战。在轨建造机器人技术是实现我国航天强国的重要保障。

面对未来在轨建造空间机器人技术，我们提出一种轻质、可大范围移动、在轨自主构型重组的空间多分支可再生机器人系统，而机电快换接口是空间可再生机器人系统的关键技术之一，空间可再生机器人由关节模块通过机电快换接口组成，通过快换接口可自主完成在轨构型重组、故障模块更换、末端执行器更换，以适应不同在轨建造任务需求；同时在空间桁架上安装一定数量的机电快换接口，空间可再生机器人可通过接口的连接、组合实现空间桁架上大范围精准移动能力；因此，面向空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口的设计在空间科学技术、国防、经济上具有着重大意义。

发明内容

本发明提供一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，大程度提升了空间机器人的环境适应能力、硬件容错能力、大范围精准移动能力、功能多样性。

本发明所采取的技术方案是：一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，包括对接机构、锁紧机构及电气模块；所述对接机构为分体式对接结构，对接机构的两分体通过锁紧机构锁定为一体或者分离为两部分，电气模块安装在对接机构上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明具有体积小、质量轻、大容差、高连接精度、高连接强度的优点，并且结构简单、功能可靠，大程度提升了空间机器人的环境适应能力、硬件容错能力、大范围精准移动能力、功能多样性。

2、本发明的锁紧结构简单，可靠性强，并且可以承受较大的轴向载荷、弯矩和扭矩。

3、本发明的高容差性能允许对接机构产生一定的位姿偏差，保证了对接的效率和准确性。

附图说明

图1是本发明结构爆炸视图；

图2是本发明主视图；

图3是本发明左视图；

图4是图3的A-A剖视图；

其中：1、对接机构；2、锁紧机构；3、电气模块；11、主动套筒；12、被动套筒；13、定位键；14、凹槽；21、主动件；22、锁定件；23、锁定球面；24、电动推杆；25、电动推杆支架；26、锁定斜面；211、T形滑槽一； 221、T型键；222、凸出头部；223、锁紧钢球；31、弹簧触针构件；32、驱动板。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。

参照图1～图4所示，本发明的一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，包括对接机构1、锁紧机构2及电气模块3；所述对接机构1 为分体式对接结构，对接机构1的两分体通过锁紧机构2锁定为一体或者分离为两部分，电气模块3安装在对接机构1上。

所述对接机构1包括主动套筒11及被动套筒12；主动套筒11和被动套筒12主体均为圆形结构，主动套筒11和被动套筒12采用凹凸相互对接的方式，根据对容差性能的要求，主动套筒11的对接面为主动锥面，被动套筒 12上相应地有被动锥面，对接时主动套筒11和被动套筒12完成贴合，实现高精度定位，主动套筒11的对接面上设有定位键13，相应的被动套筒12的对接面上设置与定位键13匹配的凹槽14，锁定绕轴向转动自由度。

所述锁紧机构2的主动件21一端安装在主动套筒11上，主动件21另一端与锁定件22连接，主动件21能够带动锁定件22另一端产生移动，使锁定件22另一端能够锁定或者脱离被动套筒12，从而实现主动套筒11和被动套筒12的锁定对接或者相互脱离。

所述锁紧机构2包括主动件21、锁定件22、锁定球面23、电动推杆24、电动推杆支架25及锁定斜面26；所述主动件21为锥体结构，主动件21通过电动推杆24能够在主动套筒11的等直径中心孔内沿轴向滑动，主动件21 的外锥面均布开设三个倾斜的T形滑槽一211，三个T形滑槽一211互成 120°，所述三个T形滑槽一211与对接面成45°，即主动件21的锥形部为 45°斜面，三个所述锁定件22的基体均为T型台，三个T型台均布环绕设置在主动件21外侧，三个T型台靠近主动件21的端面为与主动件21的外锥面匹配的斜面，三个T型台靠近主动件21的端面上各设置一个T型键221 与T形滑槽一211滑动连接，主动件21沿轴线移动能够带动三个锁定件22 径向移动，三个T型台能够在主动套筒11上沿径向的T形滑槽二内滑动，三个T型台的外端面各设置一个凸出头部222，每个凸出头部222有通孔，通过螺栓与锁紧钢球223连接，组成锁定球面23，锁定球面23与被动套筒 12外侧的锁定斜面26接触时，能够完成接口锁紧作业。

电动推杆24通过电动推杆支架25固定在主动套筒11上，可以轴向移动，当主动件21在电动推杆24推动作用下轴向运动时，可带动锁定件22在主动件21的T形槽内径向向外移动，当锁定球面23与被动套筒12的锁定斜面 26接触时，完成接口锁紧，锁定斜面26从内到外向上倾斜设置，锁定斜面 26上5°的倾角可以补偿一定的加工误差，在电动推杆24拉动下主动件21 轴向运动，拉动锁定球面23径向向内运动，脱离锁定斜面26，完成解锁。

所述电气模块3包括驱动板32及弹簧触针构件31；所述驱动板32安装在主动套筒11上，驱动板32驱动电动推杆24，主动套筒11和被动套筒12 通过安装在两者之间的弹簧触针构件31实现电源、通信连接。

所述弹簧触针构件31由分体的弹簧触针板和焊盘板构成，弹簧触针和焊盘能够通过挤压相互连接，且弹簧触针板和焊盘板分别安装在主动套筒11 及被动套筒12上。

工作原理：

对接前，电动推杆24同主动件21处于收回状态，锁定件22收紧聚拢在中心处，此时在空间在轨建造环境全局相机视觉信息引导下，主动套筒11 可以经由机器人系统向被动套筒12靠近，准备对接。

主动套筒11进入被动套筒12的包络范围之内，主动套筒11继续前进，上面的主动锥面与被动套筒12上的被动锥面充分接触，消除了径向的位置偏差，继续前进，当主动套筒11上的定位键13与被动套筒12上的凹槽14配合并卡紧时，对接机构1完成对接工作，消除了各个方向的自由度，同时弹簧触针和焊盘通过挤压连接，实现了快换接口的通电和通信。

快换接口开始锁紧工作时，在电动推杆24的推动作用下，主动件21向被动套筒12方向轴向运动，带动锁定件22和锁定球面23沿着主动件21和主动套筒11上相应的T形滑槽二沿径向向外滑动，电动推杆24继续推动主动件21，锁定球面23运动至同被动套筒12外表面的锁定斜面26接触时停止运动，此时锁死被动套筒12，锁紧阶段完成。

快换接口开始解锁工作时，在电动推杆24的拉动作用下，主动件21向主动套筒11方向轴向运动，带动锁定件22和锁定球面23沿着主动件21和主动套筒11上相应的T形滑槽沿径向向里运动，电动推杆24继续拉动主动件21，锁定球面23逐渐与被动套筒12表面的锁定斜面26脱离，当电动推杆24恢复初始状态时，锁紧阶段完成，主动套筒11和被动套筒12可以自由分离。

替换说明：可改变主动套筒11、主动件21中T型滑槽的倾斜角度，也可将T型滑槽替换成燕尾槽或其它结构的导向槽；可将电动推杆24更换成电机丝杠、电磁铁或者记忆合金等能直线运动的驱动装置。

1、机械臂关节模块可通过该接口自主变换构型、更换模块，面对不同的在轨建造任务，可通过该接口更换不同的末端工具，同时可通过桁架上安装的接口实现大范围精准移动能力。

2、可再生机器人系统可通过该接口变换构型、更换末端执行器，增强可再生机器人系统环境适应能力、硬件容错能力。

3、在再生机器人可通过安装在空间桁架上的该接口实现大范围移动能力，提升机器人的作业范围。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，其特征在于：包括对接机构（1）、锁紧机构（2）及电气模块（3）；所述对接机构（1）为分体式对接结构，对接机构（1）的两分体通过锁紧机构（2）锁定为一体或者分离为两部分，电气模块（3）安装在对接机构（1）上，

所述对接机构（1）包括主动套筒（11）及被动套筒（12）；所述主动套筒（11）和被动套筒（12）采用凹凸相互对接的方式，主动套筒（11）的对接面为主动锥面，被动套筒（12）上相应地有被动锥面，主动套筒（11）的对接面上设有定位键（13），被动套筒（12）的对接面上设置与定位键（13）匹配的凹槽（14），锁定绕轴向转动自由度，

所述锁紧机构（2）的主动件（21）一端安装在主动套筒（11）上，主动件（21）另一端与锁定件（22）连接，主动件（21）能够带动锁定件（22）另一端产生移动，使锁定件（22）另一端能够锁定或者脱离被动套筒（12），从而实现主动套筒（11）和被动套筒（12）的锁定对接或者相互脱离，

所述锁紧机构（2）包括主动件（21）、锁定件（22）、锁定球面（23）、电动推杆（24）及锁定斜面（26）；所述主动件（21）为锥体结构，主动件（21）通过电动推杆（24）能够在主动套筒（11）的等直径中心孔内沿轴向滑动，主动件（21）的外锥面均布开设三个倾斜的T形滑槽一（211），三个所述锁定件（22）的基体均为T型台，三个T型台均布环绕设置在主动件（21）外侧，三个T型台靠近主动件（21）的端面上各设置一个T型键（221）与T形滑槽一（211）滑动连接，主动件（21）沿轴线移动能够带动三个锁定件（22）径向移动，三个T型台能够在主动套筒（11）上沿径向的T形滑槽二内滑动，三个T型台的外端面各设置一个凸出头部（222），每个凸出头部（222）有通孔，通过螺栓与锁紧钢球（223）连接，组成锁定球面（23），锁定球面（23）与被动套筒（12）外侧的锁定斜面（26）接触时，能够完成接口锁紧作业。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，其特征在于：所述锁定斜面（26）从内到外向上倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，其特征在于：所述电气模块（3）包括驱动板（32）及弹簧触针构件（31）；所述驱动板（32）安装在主动套筒（11）上，驱动板（32）驱动电动推杆（24），主动套筒（11）和被动套筒（12）通过安装在两者之间的弹簧触针构件（31）实现电源、通信连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于空间大范围作业可再生机器人的机电快换接口，其特征在于：所述弹簧触针构件（31）由弹簧触针板和焊盘板构成，弹簧触针和焊盘通过挤压接触，实现电气的连接，弹簧触针板和焊盘板分别安装在主动套筒（11）及被动套筒（12）上。